NB-LRR类R基因Wed调控水稻抗病及叶片衰老分子机制分析

It is well known that the most safe, economical, and effective strategy to control crop diseases caused by pathogens or insects is to breed resistant cultivars by using host resistance genes.However, resistant cultivars remain resistance for only short periods due to the emergence of resistant pathogens. Thus, it is most important to identify new R genes and understand the molecular mechanisms underlying the R gene mediated defense responses. Previously, we have cloned an unpublished rice NB-LRR type R gene, Wed. Different from all published data, our results suggested that a gain-of-function mutation in Wed did not cause auto-activation of defense responses but constitutively suppress several known defense signaling pathways, which led to a range of disease susceptible and premature leaf senescence phenotypes. To further elucidate these novel defense mechanisms mediated by Wed, a suppressor of wed, sow1 was identified. In this project, we are going to clone Sow1 using a method based on whole-genome resequencing and genotype-phenotype association analysis. And then the molecular mechanisms by which Sow1 affects rice disease resistance and leaf senescence， and the potential role of Sow1 in regulating of other widely used rice R genes, will be analyzed.

利用农作物自身抗病基因培育抗性品种是最为安全、经济而又有效的应对病虫害措施。然而抗性品种的大规模推广同时又面临了抗病性丧失的巨大风险，由此在鉴定新的抗病基因的同时，对抗病基因介导的抗病分子机制的研究变的尤为重要。我们在前期研究中克隆到一个新的水稻NB-LRR类抗病基因Wed，不同于以往报道的是，Wed的功能获得型突变不仅没有激活下游抗病防御反应，相反却组成性抑制了多个已知的抗病信号途径而引起一系列的感病表型并导致叶片的早衰。为了明确这一NB-LRR类抗病基因的全新作用机制，我们开展了wed回复突变体的筛选工作，最终鉴定到wed表型回复比较彻底的突变体sow1。本项目在上述工作基础上，结合全基因组重测序分析以及表型-基因型关联分析的手段来分离参与R基因功能调控的新的关键基因Sow1，并研究该基因调控水稻抗病和叶片衰老的分子机制及该基因对生产上较频繁使用的其他水稻抗病基因的调控作用。

含有核苷酸结合结构域和富含亮氨酸重复序列的蛋白即NLR蛋白是动植物中广泛存在的一大类免疫受体蛋白。NLR类受体通常通过识别病原物的一些特定效应蛋白来触发小种特异性的免疫反应即ETI。迄今发现的所有NLR蛋白的功能获得型突变均能触发类似ETI的抗病反应，引起植物组成性的细胞程序性死亡现象。我们在前期的研究中发现了一个较为罕见的NLR蛋白功能获得型突变wed（weaker defense）。该突变增强了水稻对大多数白叶枯病病原小种的感病性。本项目中，通过对大量品种中WED基因型的分析，我们发现该基因是水稻品种中的一个稀有基因。遗传分析表明WED的功能行使独立于已知的PhyB信号途径以及抗病因子RAR1和RAC1。有意思的是，wed在不同程度上抑制了至少三种类型抗病蛋白：Xa3/Xa26-，Xa4-以及Xa21-介导的水稻白叶枯病抗病性。这一发现首次明确了水稻中不同类型的白叶枯病抗病信号途径间存在共同的调控机制。进一步通过回复突变体的筛选，我们鉴定到7个WED的基因内回复突变，对其分析表明WED的三个结构域的新的氨基酸替换突变均能有效抑制wed的获得性功能，暗示WED的三个结构域之间存在紧密的分子内互作。此外我们也获得了wed表型回复、但Wed基因没有新突变的突变体sow1，并克隆到WED介导的抗病信号途径中的新的调控因子SOW1。该因子负调控水稻的抗病性，过表达该基因抑制了水稻对白叶枯病的抗病性并表现出类似wed的淡绿叶表型。转录组分析表明该因子可能通过调控水稻中ROS的平衡以及抗病或衰老相关基因的表达来调控WED介导的水稻抗病性。本研究的完成，不仅丰富了对水稻NLR基因介导的抗病分子调控机制的认识，同时为培育持久广谱的白叶枯病抗病品种提供了新的切入点。